Потенциално революционна нова технология, която би могла да допринесе за значително развитие на оптичните комуникации, наблюдението и изолирането на фотонни устройства, има нещо общо с най-завладяващата конструкция на древния свят - пирамидата.

Изследователи от Калифорнийския университет в Лос Анджелис са създали нова революционна разработка на дифракционни дълбоки невронни мрежи (D2NN - diffractive deep neural networks), която според тях значително подобрява еднопосочното увеличаване и намаляване на увеличението на изображението.

Дифракция

Когато светлинните вълни преминават близо до краищата на препятствията, те се огъват около тях и се разпространяват по наклонени ъгли. Този феномен е известен като дифракция на светлината и се случва, когато светлинните вълни преминават много близо до ръба на обект или през малък отвор. Дифракция, от лат. diffractus, буквално означава счупен, пречупен.

Наречена „Пирамидална D2NN“ (P-D2NN), новата архитектура на дизайна отговаря на името си, като въвежда мрежа с пирамидална структура, която предлага висококачествено формиране на изображения, като същевременно намалява пречупващите характеристики, и всичко това чрез подреждане на слоевете в една и съща посока на увеличаване и намаляване на образа.
Какво представляват дифракционните дълбоки невронни мрежи?

D2NN са изградени от отделни трансмисивни (за предаване на данни) слоеве, които са оптимизирани чрез дълбоко обучение, което им позволява да извършват изчисления почти изцяло чрез използване на оптика.

В последните си изследвания екипът от Калифорнийския университет, ръководен от професор Айдоган Озкан (Aydogan Ozcan), работи с пирамидална дифракционна оптична мрежа - устройство, което позволява на екипа да постигне еднопосочно изобразяване с по-малко дифракционни степени на свобода.

Схема на пирамидални дифракционни оптични мрежи за еднопосочно увеличение и намаляване на изображението. a Сравнение на обикновен D2NN дизайн и P-D2NN дизайн, където P-D2NN има по-малки степени на свобода (DoF, т.е. броят на независимите характеристики, ограничени от дифракцията), отколкото обикновения D2NN. b P-D2NN за еднопосочно увеличение на изображението. Дифракционната мрежа извършва увеличение на изображението в посока напред (A→B) и блокиране на изображението в обратна посока (B→A). c P-D2NN за еднопосочно намаляване на изображението. Мрежата извършва намаляване на изображението в посока напред (A→B) и блокиране на изображението в обратна посока (B→A). Kредит: Bai, B., Yang, X., Gan, T. et al.

Резултатът е дизайн, който помага да се осигури формиране на висококачествено изображение, но само в една посока. За разлика от това, в противоположната посока настъпва значително възпрепятстване на изображението - условия, които са ключови за използване при приложения, при които се изисква изобразяване в една посока (т.е. еднопосочно изобразяване). Такива области включват отбранителни технологии и технологии за сигурност, телекомуникационни приложения и системи, използвани за защита на личните данни.

Екипът също така успява да демонстрира модулност и мащабируемост за своята нова система с пирамидална структура чрез каскадно свързване на няколко модула P-D2NN. Това им позволява да постигнат още по-големи коефициенти на увеличение или намаляване.
Мистерията на пирамидите

Формата на пирамидата отдавна е завладяла човешките умове и вероятно няма по-добър пример за това от загадъчните пирамиди в Гиза.

Казано на прост език, пирамидата е триизмерна форма, получена в резултат на построяването на триъгълни повърхности, на многоъгълна основа. Всяка от точките на триъгълните части се събира в най-високата точка или върха.

Така се получава уникална форма, в която тежестта се разпределя равномерно, което позволява на древните архитекти да разчитат на тази конструкция за изграждането на някои от най-големите структури, строени някога, като най-известните примери са пирамидите в Гиза - паметници, които са все още впечатляващи според днешните инженерни стандарти и които са доказали своята устойчивост, като са се запазили в продължение на хиляди години. Предвид загадъчния си вид пирамидите са допринесли и за редица маргинални идеи през годините, свързани с тайнствени сили, които паметниците в Гиза може би притежават, или с предполагаеми технологии (много от тях псевдонаучни), основани на формата на пирамидата и силите, които тя уж притежава.

Прочутите пирамиди в Гиза. Кредит: Osama Elsayed/Unsplash.

За екипа от Калифорнийския университет структурата на пирамидата предлага предимства в реалния живот, тъй като възходящата структура им позволява да мащабират слоевете на новия D2NN по такъв начин, че да съвпадат с посоката на увеличаване или намаляване на изображението. С други думи, пирамидалната форма предлага своеобразен водач, който контролирано увеличава или свива въпросното изображение. Резултатът е, че изображенията с висока степен на достоверност могат да преминат през мрежата, но само в желаната посока.

По време на изследванията си екипът успява и експериментално да валидира новата система P-D2NN, като използва терахерцово (THz) осветление. 3D-отпечатаните дифракционни слоеве са тествани при THz осветяване с непрекъснати вълни, като са получени резултати, които според екипа много точно съвпадат с по-рано направените числени симулации.
Приложения и бъдещи перспективи

Системата е идеална за различни приложения, включително технологии, които осигуряват оптична изолация за фотонни устройства и отделяне на предаватели и приемници в телекомуникациите. През следващите години новата система с форма на пирамида може да бъде от полза и за технологиите за сигурност и дори за наблюдение.

Като цяло архитектурата P-D2NN на екипа представлява значителен напредък в технологията за оптични изображения, която според разработчиците може да помогне да се проправи път към редица бъдещи иновации и приложения. Всичко това, разбира се, се основава на една от най-емблематичните и завладяващи древни монументални форми в човешката история.

Справка: Bai, B., Yang, X., Gan, T. et al. Pyramid diffractive optical networks for unidirectional image magnification and demagnification. Light Sci Appl 13, 178 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01543-w

Източник: Pyramid Power: Technology Resembling World’s Most Famous Ancient Structure Leads to Game Changer in Optical Communication, The Debrief